Wie die Tiefsee das Klima beeinflusst

Alle Unterstützungen für diesen Artikel gehen an AWI HighSEA (SeaNetworks e.V.), ein Projekt, bei dem Schüler*innen zu uns in's Institut kommen und dort lernen und forschen.

Der Südozean

Südozean, das klingt nach Palmen, weißen Stränden und Piña Colada. All das, könnte nicht weiter von der Realität entfernt sein. Unter Seefahrenden ist der Südozean unter anderen Namen berüchtigt.
Roaring Forties, Furious Fifties und Screaming Sixties lassen ahnen, wie es im südlichsten Ozean, der den antarktischen Kontinent umgibt, zugeht.

Vergleicht man eine Karte der Arktis (Norden) mit einer der Antarktis (Süden), fällt auf, dass die Arktis ein tiefes Randmeer ist, das von Kontinenten umgeben ist, die Antarktis ein Kontinent – Antarktika – der von Ozean umgeben ist. Ohne Unterbrechung durch Kontinente, verbindet der Südozean so alle großen Ozeanbecken miteinander. Angetrieben von permanenten Westwinden, wird dieser Ozean durch den antarktischen Zirkumpolarstrom dominiert, der sich im Urzeigersinn um Antarktika bewegt. Der Zirkumpolarstrom verbindet den Pazifik mit dem Atlantik, diesen mit dem Indischen Ozean und wieder mit dem Pazifik. So werden Wassermassen, Energie, Nährstoffe, CO2 durch den Südozean und von dort um den gesamten Globus transportiert.

Besonders deutlich wird die Schlüsselposition, die der Südozean im so genannten globalen Förderband der Meere einnimmt, wenn man die Welt in einer Spilhausprojektion darstellt.

In dieser Projektion nimmt Antarktika die zentrale Position ein und zeigt von dort ausgehend, wie eng alle Ozeane miteinander verbunden sind. Wirkt es im ersten Moment noch ungewohnt, zeigt diese Karte, dass wir nicht auf dem Planeten Erde sondern dem Planeten Ozean Leben, und dass dieser Ozean sein Zentrum im Süden hat. Als mächtigste Strömung des Planeten, transportiert der antarktische Zirkumpolarstrom ca. 135 Sverdrup an Wasser. In der Ozeanographie wird Wasser in Sverdrup, oder Sv gemessen. Benannt nach dem norwegischen Ozeanographen und Meteorologen Harald Sverdrup, entspricht 1 Sv einer Menge von einer Million Kubikmetern pro Sekunde. Aber sind 135 Sv global gesehen denn viel? Absolut! Bedenkt man, dass alle Flüsse der Welt zusammen höchstens 1.2 Sv an Wasser in die Weltmeere leiten, wird schnell klar, dass der Zirkumpolarstrom ein System der Superlative ist. Und diesem System, verdanken wir viel.

Schlüsselposition im Klimasystem

Denken wir an den Klimawandel, fallen uns wahrscheinlich als Erstes steigende Lufttemperaturen und der erschreckend rapide Anstieg des atmosphärischen CO2-Gehalts ein. Tatsächlich wurden in etwa 90% der Wärmeenergie und ca. 30% des CO2, die durch unsere Nutzung fossiler Brennstoffe bislang freigesetzt worden sind, von den Weltmeeren aufgenommen. Der Südozean allein hat davon etwa 75% der Wärmeenergie und 30-40% des CO2 aufgenommen. Ohne diesen Beitrag wäre es bereits jetzt unmöglich, den globalen Temperaturanstieg unter 2°C zu halten. Doch der Südozean kann nicht nur Wärme und CO2 aufnehmen, sondern auch beides wieder an die Atmosphäre abgeben.

Um dies zu verstehen müssen wir uns den Südozean nicht nur von oben ansehen, sondern in allen drei Dimensionen. Der antarktische Zirkumpolarstrom bewegt sich im Urzeigersinn um den Kontinent. Gleichzeitig gelangen Strömungen rund um Antarktika aus der Tiefsee an die Oberfläche, neue Strömungen beginnen und sinken in den tieferen Ozean hinab. Dieses dynamische System wird von Winden und der Topographie (Oberfläche) des Meeresbodens gesteuert. CO2- und nährstoffreiches und „warmes“ (ca. 3-4°C) zirkumpolares Tiefenwasser gelangt durch die Kraft der Westwinde aus der Tiefsee an die Oberfläche und trifft auf die flachen (<400 m) Kontinentalschelfe. Dort kommt das Tiefenwasser in Kontakt mit der Atmosphäre und den Gletschern Antarktikas. Dieser direkte Kontakt zwischen schwimmenden Gletschern, den Schelfeisgebieten, dem warmen und CO2-reichen Tiefenwasser und der Atmosphäre bedingt die Schlüsselposition des Südozeans im Klimasystem und macht das System empfindlich für Klimaschwankungen. Natürliche und Menschgemachte.

Vom Weltall aus betrachtet sieht man, wie jedes Jahr das Meereis (gefrorenes Meerwasser) im Südwinter rund um Antarktika anwächst und im Sommer wieder abtaut. Dieser Wechsel von anwachsen, um ca. 15 Millionen km2, und abtauen hat dramatische Folgen für das Ökosystem des Südozeans sowie für die Ozeanströmungen rund um den Kontinent. Gefriert Meerwasser, bilden sich Eisschollen und Packeis an der Oberfläche, während eine sehr salzige Lauge (im Englischen brine genannt) in die Tiefsee hinabsinkt und so genanntes Bodenwasser bildet.

Dieses herabsinkende Bodenwasser kann, als eine Art Vorhang, die Schelfeisgebiete vor dem hereinströmenden Tiefenwasser schützen und seinen Einfluss verringern. Von Land kommend, fließen die antarktischen Gletscher sehr langsam aber stetig nach Norden, Richtung Ozean. In einigen Gebieten können sie noch über mehrere Dutzend oder hunderte Kilometer weit auf den Ozean hinausfließen. Diese mehrere hundert Meter dicken, schwimmenden Gletscherzungen werden Schelfeis genannt. Ähnlich, wie ein Korken auf einer Flasche Champagner, sorgen die Schelfeisgebiete dafür, dass die Gletscher von Land nicht ungehindert in den Ozean fließen können. Brechen diese Gebiete weg, hält die Gletscher an Land nichts mehr davon ab, ungehindert in den Ozean zu fließen und so den globalen Meeresspiegel immer weiter ansteigen zu lassen. Am verwundbarsten sind diese Schelfeisgebiete jedoch nicht von oben, durch steigende Lufttemperatur, sondern von unten, durch das hereinströmende 3-4°C warme zirkumpolare Tiefenwasser. Dieser Einstrom von Tiefenwasser kann durch den Vorhang aus herabsinkendem, salzigem Bodenwasser verringert werden.

Doch, obwohl man bei der Antarktis auch vom „ewigen Eis“ spricht, ist dieses Gebiet alles andere als unveränderlich. Schon heute wissen wir, dass der menschgemachte Klimawandel und die dadurch verursachte Aufheizung des Planeten sich auch auf das Windsystem, die Strömungen des Südozeans und somit auf das Meereis und die Gletscher der Antarktis auswirken. Diese Veränderungen sorgen dafür, dass Gletscher sich immer weiter und schneller zurückziehen und so den globalen Meeresspiegel stetig und mit immer größerer Geschwindigkeit ansteigen lassen. So verliert allein der Pine Island Gletscher – zusammen mit seinem Nachbarn Thwaites der am schnellsten zurückgehende Gletscher Antarktikas – jedes Jahr ca. 63 Milliarden Tonnen an Eis. 63.000.000.000 Tonnen an Eis, jedes Jahr. Würde man diese Menge über den Central Park in New York City stapeln, ergäbe sich eine Säule von 21.4 km Höhe. Doppelt so hoch, wie die Reiseflughöhe bei Linienflügen.

Unsere Forschung

Aber, sind all diese Änderungen nur natürliche Schwankungen oder werden sie durch den menschgemachten Klimawandel ausgelöst?
Um dies zu Verstehen und um ermitteln zu können wie es in der Zukunft aussehen wird, müssen wir nicht nur erforschen, wie sich das heutige Klima ändert, sondern auch, wie es sich unter natürlichen Bedingungen in der Vergangenheit entwickelt hat. Dieses Verständnis ist unabdingbar für Computermodelle, die den aktuellen und zukünftigen Klimawandel berechnen. Mit Hilfe von geologischen Daten können diese Modelle geeicht und verbessert werden, um so, genauere Vorhersagen für die Zukunft treffen zu können.

Doch wie lässt sich ermitteln, ob der Südozean vor 1.000, 10.000 oder 135.000 Jahren CO2 aufgenommen oder abgegeben hat, ob das warme Tiefenwasser die Gletscher abgetaut hat oder ob diese sich ausbreiten konnten, und woher wissen wir eigentlich, wie natürliche CO2 Gehalte in der Atmosphäre aussehen?

Fällt irgendwo auf dem Planeten Schnee und schmilzt über Jahre und Jahrzehnte nicht ab, bilden sich im Laufe der Zeit mächtige Eismassen, die Gletscher. Durch sein eigenes Gewicht wird der Schnee immer weiter zusammengepresst. Aus Schnee wird erst Firn und letztendlich Eis. Sowohl im Schnee als auch im Firn sind noch offene Poren, in die Luft eindringen kann. Im Eis schließen sich diese und es bilden sich kleine Luftblasen, die ein Archiv der vergangenen Atmosphäre sind. Glaziolog*innen können nun in die Gebiete mit den dicksten Gletschern reisen, nach Grönland und Antarktika, das Eis anbohren und dieses Atmosphärenarchiv bergen, die Luft untersuchen, und ermitteln, wie hoch oder niedrig das CO2 in der Atmosphäre gewesen ist. Durch diese Untersuchungen wissen wir, dass das CO2 der letzten 800.000 Jahre in Kaltzeiten immer rund um ca. 180 ppm (Parts per Million/Teile pro Million) und in Warmzeiten nicht höher als ca. 280 ppm lag. Seit dem Beginn der Industrialisierung bis heute, Dezember 2020, haben unsere Aktivitäten diesen Gehalt auf über 413 ppm erhöht. Das ist weit mehr (133 ppm) als eine natürliche Schwankung zwischen Kaltzeit und Warmzeit (100 ppm) zusätzlich auf das hohe Niveau der Warmzeit aufgesetzt!

Im Ozean ist Klimarekonstruktion etwas komplizierter, nicht nur wegen 12 m hohen Wellen. Um zu ermitteln, wie warm der Ozean war, ob CO2 aufgenommen oder abgegeben wurde, oder um herauszufinden, ob Gletscher angewachsen oder abgeschmolzen sind, verwenden wir so genannte Proxies (engl. Stellvertreter).

So leben in allen Weltmeeren mikroskopisch kleine Einzeller, Pflanzen und „Tierchen“, die um ihre Zelle eine feste Schale aus Silikat (Glas) oder Karbonat (Kalk) aufbauen.

Um aber Glas oder Kalk aus dem Meerwasser zu formen, sind diese Organismen auf die Elemente im Ozean angewiesen. Das Besondere für uns Forschende ist, dass sich Änderungen des Klimas (Temperatur, Salzgehalt, CO2, uvm.) auf die Eigenschaften des Wassers auswirken. Diese Änderungen haben wiederum direkte Auswirkungen auf die chemischen Eigenschaften in den Schalen dieser Einzeller, die so, zu Lebzeiten, einen Schnappschuss des Klimas aufzeichnen. Sterben sie ab, sinken sie auf den Meeresboden und bilden dort immer dicker werdende Schichten im Schlamm, die wir Sedimente nennen.

Ein anderer Proxy sind kleine Kieselsteine, die von Eisbergen transportiert wurden. Noch als Gletscher an Land, nimmt das Eis Gesteinsbruchstücke auf und transportiert diese in die Ozeane. Tauen die Eisberge ab, rieselt dieses Gesteinsmaterial in die Sedimente der Tiefsee. Wenn große Teile der kontinentalen Gletscher zusammenbrechen, wird mehr von diesem Material in die Ozeane transportiert.

So können uns Schalen von Mikroorganismen und kleine Gesteinsfragmente verraten, wie sich das Klima des Südozeans und die antarktischen Gletscher in der Vergangenheit verändert haben. Damit wir dieses Klimaarchiv bergen können, müssen wir mit Hilfe großer Forschungsschiffe, wie der deutschen Polarstern, in die Gebiete aufbrechen, für die wir uns interessieren - in unserem Fall in den antarktischen Südozean. Mit Hilfe von Tiefseewinden lassen wir im Forschungsgebiet Geräte hinab, die, ähnlich zu einem gigantischen, bis zu 30m langen, Keksausstecher, Proben des Meeresbodens bergen können. Solche Proben nennt man Sedimentkerne.

Wollen wir noch weiter in die Zeit zurückschauen, müssen wir tiefer in die Sedimente, in das Klimageschichtsbuch eindringen und sind auf Forschungsbohrschiffe, wie die amerikanische JOIDES Resolution angewiesen. Dieses Schiff kann in Wassertiefen von mehreren tausend Metern viele Kilometer tief in den Meeresgrund bohren. Bei meiner letzten Expedition (2019) in die antarktische Allee der Eisberge haben wir in einer Wassertiefe von über 4 km mehr als 600 m tief in den Untergrund gebohrt und so ein Klimaarchiv von mehr als 5 Millionen Jahren geborgen.

Mit Hilfe dieser Sedimentproben, der darin enthaltenen Schalen von Einzellern und, der von Eisbergen abgelagerten Gesteine, konnten wir (die Wissenschaftsgemeinschaft) ein klares Bild natürlicher Klimaschwankungen im Südozean rekonstruieren.

Die Erkenntnisse

So hat sich während der letzten Kaltzeit vor etwa 24.000 Jahren das Meereis rund um Antarktika um ca. 4° nach Norden ausgebreitet und die Westwindzone hat sich ebenfalls nach Norden verlagert. Dadurch lag das Meereis wie eine Art Deckel über dem Gebiet, in dem das CO2- reiche Wasser an die Oberfläche kommen würde. So konnte der Ozean kein CO2 an die Atmosphäre abgeben und hat zu den geringeren CO2-Gehalten (180 ppm) der Atmosphäre beigetragen. Außerdem hat das Meereis mit seinem Vorhang aus Salzlauge die Gletscher vor dem warmen Tiefenwasser isoliert, sodass auch diese sich nach Norden ausbreiten konnten. Als sich zum Ende der Kaltzeit, zwischen ca. 18.000 und 11.000 Jahren vor heute, das Klima erwärmte, ging das Meereis langsam nach Süden zurück. Das warme Tiefenwasser konnte dadurch große Mengen (aber weniger als der Mensch heute freisetzt) an CO2 an die Atmosphäre abgeben und gleichzeitig die Gletscher angreifen und zurückdrängen. Die globalen Meeresspiegel stiegen in der Folge um 120 m.

Durch diese Rekonstruktionen wissen wir heute, dass natürliche Schwankungen bezüglich des CO2-Gehalts in der Luft und der Ausbreitung der Gletscher mehrere Jahrtausende benötigen und können so erkennen, dass die heutigen Veränderungen eindeutig menschlichen Ursprungs sind. Sie sind in ihrer Geschwindigkeit und Größe ohne geologisches Beispiel.

Der Ausblick

Aktuell konzentrieren wir uns mit unserer Forschung auf das letzte Interglazial (LIG), das ist die letzte Warmzeit vor der heutigen, in der wir leben. Diese fand zwischen ca. 130.000 und 115.000 Jahren vor heute statt. Da die Achse unseres Planeten langsam schwankt, konnte zu dieser Zeit mehr Wärmestrahlung auf die Oberfläche treffen, sodass das globale Klima ca. 2°C wärmer war als vor Beginn der Industrialisierung. 2°C klingt bekannt, oder? Ich sage nur 'Pariser Klimaschutzabkommen', im Rahmen dessen wir deutlich unter einer Erderwärmung von 2°C bleiben wollen. Das letzte Interglazial ist also ein gutes, wenn auch nicht exakt gleiches Beispiel, um zu erforschen, wie der Planet bei einer Erwärmung von 2°C aussah. Wir wissen, dass der globale Meeresspiegel während des LIG ca. 6-9 m über dem heutigen lag. Ein Teil dieses Anstieges war dem Rückgang des grönländischen Eisschildes und anderer Gletscher geschuldet. Die Ausdehnung des Meerwassers spielte auch eine Rolle und wahrscheinlich hat auch der Zusammenbruch des Westantarktischen Eisschildes dazu beigetragen.

Wir wollen verstehen, wie sich der Südozean mit seinen Strömungen unter solchen Bedingungen verhält, welche antarktischen Gletscher besonders bedroht sind (z.B. der oben genannte Pine Island Gletscher) und, welche Bedrohung von der Gletscherschmelze für den globalen Meeresspiegel und für Küstennationen, wie auch Deutschland, ausgeht. Aus diesem Grund ist das LIG momentan einer der Forschungsschwerpunkte unserer Gemeinschaft. So wollen wir den Computermodellierer*innen bessere Daten zur Verfügung stellen, die so die Vorhersagen für die Zukunft der nächsten 50 oder 100 Jahre verbessern können.

Das passende Video zum Artikel findet ihr hier:

Dr. Thomas Ronge ist Postdoc am Alfred Wegener Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven. Er ist Klimaforscher in den Bereichen Geologie und Meeresforschung.